Cours Thème I ACQUISITION D'UNE GRANDEUR PHYSIQUE

1 Cours Th me I 2- l ments de m trologie (d finitions). ACQUISITION D'UNE GRANDEUR PHYSIQUE . Le mesurage : C'est l'ensemble des op rations ayant pour but de d terminer une valeur ( Capteurs ) D'UNE GRANDEUR . I- G N RALIT S. La mesure (x) : C'est l' valuation D'UNE GRANDEUR par comparaison avec une autre GRANDEUR Dans de nombreux domaines (industrie, recherche scientifique, services, loisirs ..), on a de m me nature prise pour unit . besoin de contr ler de nombreux param tres physiques (temp rature, force, position, Exemple : 2 m tres, 400 grammes, 6 secondes. vitesse, luminosit , ..). Le capteur est l' l ment indispensable la mesure de ces grandeurs physiques. La GRANDEUR (X) : Param tre qui doit tre contr l lors de l' laboration d'un produit ou de 1- D finitions son transfert. Exemple : pression, temp rature, niveau. Capteur : Un capteur est un organe de pr l vement d'information qui labore partir D'UNE On effectue des mesures pour conna tre la valeur instantan e et l' volution GRANDEUR PHYSIQUE , une autre GRANDEUR PHYSIQUE de nature diff rente (tr s souvent de certaines grandeurs.)

2 Renseignements sur l' tat et l' volution d'un lectrique). Cette GRANDEUR repr sentative de la GRANDEUR pr lev e est utilisable ph nom ne PHYSIQUE , chimique, industriel. des fins de mesure ou de commande. Energie L'incertitude (dx) : Le r sultat de la mesure x D'UNE GRANDEUR X n'est pas compl tement GRANDEUR Signal d fini par un seul nombre. Il faut au moins la caract riser par un couple PHYSIQUE lectrique (x, dx) et une unit de mesure. dx est l'incertitude sur x. Les incertitudes Capteur proviennent des diff rentes erreurs li es la mesure. - temp rature - signal logique (TOR). Ainsi, on a : x-dx < X < x+dx - pression - signal analogique Exemple : 3 cm 10%, ou 3 cm 3 mm. - force - signal num rique - .. Etendue de mesure : Valeurs extr mes pouvant tre mesur e par le capteur. Erreur absolue (e) : R sultat d'un mesurage moins la valeur vraie du mesurande. Une erreur absolue s'exprime dans l'unit de la mesure. R solution : Plus petite variation de GRANDEUR mesurable par le capteur.

3 E=x-X. Exemple : Une erreur de 10 cm sur une mesure de distance. Sensibilit : Variation du signal de sortie par rapport la variation du signal d'entr e. Exemple : Le capteur de temp rature lm35 a une sensibilit de 10mV / C. Erreur relative (er) : Rapport de l'erreur de mesure une valeur vraie de mesurande. Une Pr cision : Aptitude du capteur donner une mesure proche de la valeur vraie. erreur relative s'exprime g n ralement en pourcentage de la GRANDEUR mesur e. Rapidit : Temps de r action du capteur. La rapidit est li e la bande passante. er = e/X ; er% = 100 er Exemple : Une erreur de 10 % sur une mesure de distance (10 % de la distance r elle). TS IRIS ( PHYSIQUE Appliqu e ) Christian BISSIERES Page 1 sur 12 Th me 1 : LES CAPTEURS. 3- Les types d'erreurs classiques 4- Le syst me d'unit s internationales et ses symboles GRANDEUR Unit . Nom Symbole Nom Symbole Unit s de base L'erreur de z ro (offset). Longueur l m tre m Masse m kilogramme Kg Temps t seconde s Courant lectrique i amp re A.

4 Temp rature T kelvin K. L'erreur d' chelle (gain) Quantit de mati re mole mol Intensit lumineuse I candela cd C'est une erreur qui d pend de fa on Unit s compl mentaires lin aire de la GRANDEUR mesur e. Angle plan radian rad Angle solide st radian Sr Unit s d riv es Aire ou superficie A, S m tre carr m2. L'erreur de lin arit Volume V m tre cube m3. Fr quence f hertz Hz La caract ristique n'est pas une droite. Vitesse v m tre par seconde m/s Force F newton N. Moment D'UNE force T m tre-newton mN. Tension - ddp U volt V. Force lectromotrice E volt V. L'erreur due au ph nom ne R sistance R ohm . d'hyst r sis R actance X ohm . Il y a ph nom ne d'hyst r sis lorsque Imp dance Z ohm . le r sultat de la mesure d pend de R sistivit ohm-m tre .m la pr c dente mesure. Capacit C farad F. Permittivit farad par m tre F/m Perm abilit henry par m tre H/m Champ lectrique E volt par m tre V/m L'erreur de quantification Flux lumineux lumen lm La caract ristique est en escalier, Eclairement E lux lx cette erreur est souvent due une num risation du signal.

5 Longueur d'onde m tre m Quant. de rayonn. roentgen R. Vitesse angulaire radian par seconde rad/s TS IRIS ( PHYSIQUE Appliqu e ) Christian BISSIERES Page 2 sur 12 Th me 1 : LES CAPTEURS. 6- Formation des multiples et sous multiples des unit s Acc l ration lin aire g m tre par seconde2 m/s2. Acc l ration radian par seconde2 rad/s2. angulaire 10 N Pr fixe Symbole Nombre Energie - Travail W joule J. 10100 googol ? ? Puissance P watt Watt 1024 yotta Y Quadrillion Pression - Contrainte P pascal Pa 1021 zetta Z Trilliard Quantit de chaleur Q joule J. 1018 exa E Trillion Quantit d' lectricit Q coulomb C. 1015 p ta P Billiard Energie W joule J. 1012 t ra T Billion Puissance active P watt W. 109 giga G Milliard Puissance apparente S volt-amp re VA. 106 m ga M Million Puissance r active Q volt-amp re-r actif VAR. 103 kilo k Mille Inductance L henry H. 102 hecto h Cent Champ magn tique H amp re par m tre A/m 101 d ca da Dix Induction B tesla T 100 unit Un, une magn tique Flux d'induction weber Wb 10-1 d ci d Dixi me Luminance L candela par m2 Cd/m2 10-2 centi c Centi me Transmission d cibel dB 10-3 milli m Milli me Activit nucl aire A curie Bq 10-6 micro Millioni me 10-9 nano n Milliardi me 10-12 pico p Billioni me 10-15 femto f Billiardi me 5- Liens entre les unit s et celles employ es dans d'autres pays (USA).

6 10-18 atto a Trillioni me 10-21 zepto z Trilliardi me Distances : pouce (inch) : 1 in. = 2,54 cm 10-24 yocto y Quadrillioni me pied (foot) : 1 ft = 12 in = 30,48 cm mile (miles) = 5280 ft = 1,609 km Volume : pinte (pint) = 0,568 l gallon (US gallon) : 1 USgal = 4 pintes = 3,786 l baril (US barrel) : 1 bbi = 42 USgal = 159 l Masse : once (ounce) : 1 oz = 28,35 g livre (pound) : 1 lb = 0,454 kg Puissance : cheval vapeur (horsepower) : 1 hp = 0,746 kW. TS IRIS ( PHYSIQUE Appliqu e ) Christian BISSIERES Page 3 sur 12 Th me 1 : LES CAPTEURS. 7- Caract ristiques D'UNE cha ne de mesure informatis e 8- Classification des signaux GRANDEUR PHYSIQUE M morisation mesurer et affichage Donn es des points de GRANDEUR GRANDEUR num riques mesures lectrique lectrique Circuit de Carte Unit de traitement Capteur mise en forme d' ACQUISITION Informatique du signal ( CAN ). (micro-ordinateur). Domaine analogique Domaine num rique La structure de base D'UNE cha ne de mesure comprend au minimum quatre tages : Un capteur sensible aux variations D'UNE GRANDEUR PHYSIQUE et qui, partir de ces variations, d livre un signal lectrique.

7 Un conditionneur de signal dont le r le principal est l'amplification du signal Un signal est dit analogique si l'amplitude de la GRANDEUR PHYSIQUE le r pr sentant peut d livr par le capteur pour lui donner un niveau compatible avec l'unit de prendre une infinit de valeurs dans un intervalle donn . num risation; cet tage peut parfois int grer un filtre qui r duit les perturbations Signal continu : C'est un signal qui varie 'lentement' dans le temps : temp rature, d bit, pr sentes sur le signal. niveau. Forme : C'est la forme de ce signal qui est importante : pression cardiaque, Une unit de num risation qui va chantillonner le signal intervalles r guliers et chromatographie, impact. affecter un nombre (image de la tension) chaque point d' chantillonnage. Fr quentiel : C'est le spectre fr quentiel qui transporte l'information d sir e : analyse vocale, sonar, spectrographie. L'unit de traitement informatique peut exploiter les mesures qui sont maintenant une suite de nombres (enregistrement, affichage de courbes, traitements Math - Un signal est dit num rique si l'amplitude de la GRANDEUR PHYSIQUE le repr sentant ne peut matiques, transmissions des donn es ).

8 Prendre qu'un nombre fini de valeurs. En g n ral ce nombre fini de valeurs est une puissance de 2. De nos jours, compte tenu des possibilit s offertes par l' lectronique et l'informatique, les Tout ou rien (TOR) : Il informe sur l' tat bivalent d'un syst me. capteurs d livrent un signal lectrique et la quasi-totalit des cha nes de mesure sont des Exemple : une vanne ouverte ou ferm e. cha nes lectroniques et informatiques. Train d'impulsion : Chaque impulsion est l'image d'un changement d' tat. Exemple : un codeur incr mental donne un nombre fini et connu d'impulsion par tour. Certains capteurs, par exemple le thermom tre DALLAS DS1621, d livrent directement un Echantillonnage : C'est l'image num rique d'un signal analogique. mot binaire, image de la temp rature, en leur sortie. Ils int grent, dans un seul bo tier Exemple : temp rature, d bit, niveau, son (pression) . (DIL 08) le capteur + le circuit de mise en forme + le CAN.

9 TS IRIS ( PHYSIQUE Appliqu e ) Christian BISSIERES Page 4 sur 12 Th me 1 : LES CAPTEURS. II- LES DIFF RENTES FAMILLES DE CAPTEURS. GRANDEUR PHYSIQUE mesur e Effet utilis GRANDEUR de sortie Si l'on s'int resse aux ph nom nes physiques mis en jeux dans les capteurs, on peut classer ces derniers en deux cat gories. Temp rature Thermo lectricit Tension 1- Capteurs actifs Photo- mission Courant Flux de rayonnement optique Effet photovolta que Tension Fonctionnant en g n rateur, un capteur actif est g n ralement fond dans son principe sur Effet photo- lectrique Tension un effet PHYSIQUE qui assure la conversion en nergie lectrique de la forme d' nergie propre la GRANDEUR PHYSIQUE pr lever, nergie thermique, m canique ou de rayonnement. Force Pi zo- lectricit Charge lectrique Pression Acc l ration Les effets PHYSIQUE les plus classiques sont : Induction lectromagn tique Tension Vitesse Effet thermo lectrique : Un circuit form de deux conducteurs de nature chimique Position (Aimant).

10 Diff rente, dont les jonctions sont des temp ratures T1 et T2, est le si ge D'UNE force Effet Hall Tension Courant lectromotrice d'origine thermique e(T1,T2). Effet pi zo- lectrique : L'application D'UNE contrainte m canique certains mat riaux 2- Capteurs passifs dits pi zo- lectriques (le quartz par exemple) entra ne l'apparition D'UNE d formation et D'UNE m me charge lectrique de signe diff rent sur les faces oppos es. Il s'agit g n ralement d'imp dance dont l'un des param tres d terminants est sensible la GRANDEUR mesur e. La variation d'imp dance r sulte : Effet d'induction lectromagn tique : La variation du flux d'induction magn tique Soit D'UNE variation de dimension du capteur, c'est le principe de fonctionnement d'un grand dans un circuit lectrique induit une tension lectrique (d tection de passage d'un objet nombre de capteur de position, potentiom tre, inductance noyaux mobile, condensateur . m tallique).